CN113916498A - 一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置及方法，包括：激光器、隔离器、第一分路器、第二分路器、耦合器、雪崩光电探测器阵列、拉曼散射波分复用器以及处理器；所述激光器用于输出频率步进光强调制信号，所述激光器通过隔离器连接至第一分路器，所述第一分路器用于接收光强调制信号，第一分路器包括两个分路，其中一路传输到耦合器，所述耦合器用于将光强调制信号传输给光纤链路并用于接收所述光纤链路返回的散射光信号传输至第二分路器，所述第二分路器通过拉曼散射波分复用器和雪崩光电探测器阵列输出多路散射光信号作为多路相位测量值；所述处理器用于根据对多路相位测量值分析得到与光纤链路沿线质量相关的空间域测量值。

Description

一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置及方法

技术领域

本公开涉及分布式光纤质量检测技术领域，特别涉及一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

非相干光频域反射(Incoherent Optical Frequency Domain Reflectometry,IOFDR)技术最初起源于频率调制连续波(FMCW)激光雷达***，非相干光频域反射技术主要是通过检测光纤的后向散射光的频率响应，再利用频域-空域变换原理实现光纤质量分布式检测。

微波信号源输出线性扫频信号，通过电光调制器对光源出光进行调制，并通过光环行器后射入长距离光纤，实现某个频点下整条传感光纤的质量检测。改变激光器出光频率进行扫描，便能获取每个频率点的传感光纤状态信息，借助傅里叶逆变换，可以得到传感光纤位置相关的状态信息，完成光网络在线故障监测。

发明人发现，现有采用IOFDR技术的光纤质量检测方法中，通常都是基于瑞利散射光来实现的，检测用光信号波长与光源一致。在实际测试过程中，光纤链路接头处产生的反射光，以及光纤尾端的菲涅尔反射光，波长同样与光源一致，并且光强较高，会对有效的瑞利散射信号产生干扰，影响***信噪比，造成光纤链路沿线衰减(损耗)分布信息测量准确度降低。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置及方法，将光强调制信号分为两路，所述第一分路器接收光强调制信号，第一分路器包括两个分路，一路传输至光电探测器作为相位参考路；另一路传输到耦合器，所述耦合器将光强调制信号传输给光纤链路并接收所述光纤链路返回的散射光信号传输至第二分路器，所述第二分路器通过拉曼散射波分复用器和雪崩光电探测器阵列输出多路散射光信号作为多路相位测量值，所述处理器根据依据相位参考路对多路相位测量值分析得到与光纤链路沿线质量相关的空间域测量值。通过分布式光纤质量检测，实现对光通信***高可靠性的衰减(损耗)检测和线路故障的精准定位。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置。

一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，包括：激光器、隔离器、第一分路器、第二分路器、耦合器、雪崩光电探测器阵列、拉曼散射波分复用器以及处理器；

所述激光器用于输出频率步进光强调制信号，所述激光器通过隔离器连接至第一分路器，所述第一分路器用于接收光强调制信号，第一分路器包括两个分路，一路传输至光电探测器作为相位参考路；另一路传输到耦合器，所述耦合器用于将光强调制信号传输给光纤链路并用于接收所述光纤链路返回的散射光信号传输至第二分路器，所述第二分路器通过拉曼散射波分复用器和雪崩光电探测器阵列输出多路散射光信号作为多路相位测量值；

所述处理器用于根据依据相位参考路对多路相位测量值分析得到与光纤链路沿线质量相关的空间域测量值。

作为可能的一些实现方式，所述第二分路器分别和雪崩光电探测器阵列与拉曼散射波分复用器连接，所述雪崩光电探测器阵列与拉曼散射波分复用器连接；所述第二分路器包括两个分路，第一分路用于将散射光信号直接传输给雪崩光电探测器阵列输出瑞利散射光，第二分路用于将散射光信号经过拉曼散射波分复用器传输给雪崩光电探测器阵列输出斯托克斯光和反斯托克斯光。

作为可能的一些实现方式，所述雪崩光电探测器阵列用于将瑞利散射光信号和拉曼散射的斯托克斯光和反斯托克斯光信号转换成电信号输出到模数转换器，分别作为瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路，相位参考路、瑞利散射路、斯托克斯路和反斯托克斯路通过模拟转换器传输至处理器。

作为可能的一些实现方式，所述处理器以相位参考路为基准，用于在一个测量周期对瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路相位对齐。

作为可能的一些实现方式，所述光纤链路包括参考光纤和传感光纤，所述参考光纤位于耦合器和传感光纤之间，用于延长传感光纤端接头与耦合器的长度。

作为可能的一些实现方式，所述参考光纤设置在检测装置内部，所述参考光纤用于通过检测该参考光纤段的拉曼散射获得仪器内部温度实时测量值。

作为可能的一些实现方式，该检测装置还包括驱动器，所述驱动器分别和处理器和激光器连接，所述处理器用于控制驱动器的电压驱动信号频率，从而控制激光器输出与驱动器的电压驱动信号频率一致的正弦调制光强。

作为可能的一些实现方式，所所述处理器用于根据相位对齐后的瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路的频域数据得到光纤链路质量分布相关的空间域数据。

作为可能的一些实现方式，所述光纤链路质量分布相关的空间域数据包括基于瑞利散射路空间域数据以及基于斯托克斯路的空间域数据，所述基于瑞利散射路空间域数据，包含光纤链路端多个反射点的空间位置；所述基于斯托克斯路的空间域数据，获得光纤链路沿线的损耗分布信息。

本公开第二方面提供了一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测方法。

一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测方法，包括如下步骤：

输出频率步进光强调制信号；

将光强调制信号分为两路，一路输出作为相位参考路，另一路输出后传输至光纤链路，光纤链路返回散射光信号，从散射光信号分离出拉曼散射光以及对拉曼散射光复用输出多路散射光信号作为多路相位测量值；

依据相位参考路对多路相位测量值分析得到与光纤链路沿线质量相关的空间域测量值。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的装置设置参考光纤位于耦合器和传感光纤之间，作用有2个。一方面，作为额外的光纤放置在耦合器和传感光纤之间，可以延长传感光纤端接头与耦合器的长度，避免前端接头处强反射光造成的死区现象，影响传感光纤前面部分质量检测的有效性。另一方面，参考光纤放置在仪器内部，可以通过检测该参考光纤段的拉曼散射获得仪器内部温度实时测量值，对温度敏感的激光器和雪崩光电探测器阵列提供进一步的温度校正参考。

2、本公开通过将散射光分为两路，一路直接传输给雪崩光电探测器阵列，另一路经过拉曼散射波分复用器后传输给雪崩光电探测器阵列，解决了传感光纤就是需要被检测的光纤物理链路，当光波在传感光纤中传播时，端接点和尾部断纤会产生反射光，强度远高于散射光，会影响***信噪比，造成光纤链路沿线衰减(损耗)分布信息测量准确度降低的问题。

3、本公开通过分路器并未直接输出光波中，瑞利散射光远强于拉曼散射光，认为该通道仅含有瑞利散射光，对应的雪崩光电探测器阵列通道增益相对较低，拉曼散射光功率较低，因此斯托克斯光和反斯托克斯光对应的雪崩光电探测器阵列通道增益相对较高。

附图说明

图1为本公开实施例1所述的波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置的结构示意图；

图2为本公开实施例1所述的步进频率示意图；

图3为本公开实施例1所述的传感光纤质量有关的频谱信息；

图4为本公开实施例1所述的传感光纤质量分布的空间域信息；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释

非相干光频域反射技术：

非相干光频域反射(Incoherent Optical Frequency Domain Reflectometry,IOFDR)技术最初起源于频率调制连续波(FMCW)激光雷达***，非相干光频域反射技术主要是通过检测光纤的后向散射光的频率响应，再利用频域-空域变换原理实现光纤质量分布式检测。

微波信号源输出线性扫频信号，通过电光调制器对光源出光进行调制，并通过光环行器后射入长距离光纤，实现某个频点下整条传感光纤的质量检测。改变激光器出光频率进行扫描，便能获取每个频率点的传感光纤状态信息，借助傅里叶逆变换，可以得到传感光纤位置相关的状态信息，完成光网络在线故障监测。

光纤质量检测装置：

光纤质量检测装置属于一种光纤物理链路在线检测***，采用光反射测量技术，对光纤链路的长度、衰减(损耗)、接头、故障位置等信息进行检测和定位，通过***平台提供光纤的故障预警、故障定位，实现对于光纤链路7×24小时连续实时的在线监测和精准的故障定位。

光纤中的光波散射现象：

当光波在光纤链路中传播时，会与物质发生相互作用并发生光散射现象，包括弹性散射和非弹性散射现象。弹性散射是指散射光频率域入射光相同的散射现象，称之为瑞利散射；非弹性散射则是散射光频率相对入射光发生频移的散射现象，包括布里渊散射和拉曼散射。

其中，布里渊散射的频移大约为3GHz，拉曼散射的频移则大于30GHz。在拉曼散射中，散射光频率变低的非弹性碰撞所对应的散射过程被称为斯托克斯散射，散射光频率变高的非弹性碰撞所对应的散射过程被称为反斯托克斯散射。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，包括：激光器、隔离器、多个分路器、耦合器、驱动器、处理器、模数装换器、拉曼散射波分复用器、光电探测器、雪崩光电探测器阵列；所述多个分路器包括第一分路器和第二分路器；

其中，所述激光器1用于在每个脉冲周期的工作时间内输出连续光波传输至隔离器，所述隔离器连接激光器和第一分路器，起到保护激光器的作用，防止后面的信号链路产生的光反射信号打坏激光器。

作为一个或多个实施例，所述激光器可以采用光纤布拉格光栅外腔稳频激光器，该类型激光器具有单纵模输出和中心频率稳定的特点。

所述第一分路器分别和耦合器与光电探测器连接，第一分路器包括两个分路，第一分路用于将大功率的光强调制信号传输给耦合器，第二分路用于将小功率的光强调制信号传输给光电探测器；

其中，所述第一分路器的两个分路按照功率比为99:1进行划分的。

作为一个或多个实施例，所述耦合器具有3个端口，第一端口用于接收第一分路器传输的光信号，第二端口用于将光波传输给光纤链路并接收所述光纤链路产生的散射光波，所述第三端口用于将散射光波传输至第二分路器。

其中，散射光波包括瑞利散射光波和拉曼散射光波。

所述光纤链路包括参考光纤和传感光纤，所述参考光纤位于耦合器和传感光纤之间，作为额外的光纤放置在耦合器和传感光纤之间，用于延长传感光纤接头与耦合器的长度；

上述方案的优势在于，避免前端接头处强反射光造成的死区现象，影响传感光纤前面部分质量检测的有效性。

或，参考光纤放置在检测装置内部，用于通过检测该参考光纤段的拉曼散射获得仪器内部温度实时测量值，对温度敏感的激光器和雪崩光电探测器阵列提供进一步的温度校正参考。虽然激光器和雪崩光电探测器阵列通常情况下均含有恒温控制器，但是受到导热结构、器件封装和温控实现方案的影响，长期温度的缓慢变化依然会对测量精度产生影响。基于仪器内部的温度实时测量值，以及温度与散射光强关系曲线，可以进一步消除温度变化对激光器和雪崩光电探测器阵列带来的不利影响，提高***测量信号质量。

传感光纤就是需要被检测的光纤物理链路，通常为几公里到几十公里长度，有多个端接点，尾部一般是断纤或者接有其他设备。当光波在传感光纤中传播时，端接点和尾部断纤会产生反射光，强度远高于散射光，会影响***信噪比，造成光纤链路沿线衰减(损耗)分布信息测量准确度降低。

作为一个或多个实施例，所述第二分路器分别和雪崩光电探测器阵列与拉曼散射波分复用器连接，所述雪崩光电探测器阵列与拉曼散射波分复用器连接；

第二分路器包括两个分路，第一分路用于将散射光传输给雪崩光电探测器阵列，第二分路用于将散射光经过拉曼散射波分复用器传输给雪崩光电探测器阵列；

所述拉曼散射波分复用器用于从散射光中分离出微弱的拉曼散射光，并使斯托克斯光和反斯托克斯光不受瑞利散射光的影响。

其中，所述第二分路器的两个分路按照功率比为1:1进行划分的。

进一步地，为尽可能提高滤出拉漫散射光的强度，进而提高测量信噪比，需要根据拉漫散射光谱，合理选择拉曼滤光片的中心波长、带宽等参数。

拉曼散射波分复用器用于将拉曼散射光分成斯托克斯光和反斯托克斯光两路，传输出给雪崩光电探测器阵列。

在第二分路器的直接输出光波中，瑞利散射光远强于拉曼散射光，可以认为该通道仅含有瑞利散射光，对应的雪崩光电探测器阵列通道增益相对较低。拉曼散射光功率较低，因此斯托克斯光和反斯托克斯光对应的雪崩光电探测器阵列通道增益相对较高。

光电探测器用于将接收的小功率的光信号转换成电信号传输到模数转换器中，作为相位参考路；同时雪崩光电探测器阵列用于将接收的拉曼散射光转换成电信号传输到模数转换器中，分别作为瑞利散射路、斯托克斯路和反斯托克斯路。

所述模数转换器将相位参考路、瑞利散射路、斯托克斯路和反斯托克斯路进行数字化，传输给处理器；所述处理器连接驱动器，用于控制驱动器的调制频率实现步进变化，同时接收模数转换器的4路数字量。

如图2-4所示，所述驱动器用于产生频率步进的电压驱动信号控制激光器实现输出光强的正弦调制，步进次数为N，步进频率值为Δf。

频率步进带宽N*Δf通常大于100MHz。激光器输出光波中心频率不变，强度带有正弦调制，并且调制频率决定于驱动器产生的电压驱动信号频率。

在每个单频测量周期中，驱动器5产生频率恒定的电压驱动信号，控制激光器实现输出光强的正弦调制，调制频率与驱动器5产生的电压驱动信号频率一致。

所述处理器6用于接收模数转换器的4路数字量，以相位参考路为基准，将瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路的相位对齐，消除***误差以及环境干扰造成的相位漂移。

在完整的测量周期中，含有N个单频测量周期。利用N个单频测量周期得到的初始相位对齐后的瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路的频域数据，分别进行傅里叶反变换，可以得到光纤链路质量分布相关的空间域数据。

基于瑞利散射路空间域数据，可以获得光纤链路端接头、连接器、尾纤等反射点的空间位置；基于斯托克斯路的空间域数据，可以获得光纤链路沿线的衰减(损耗)分布信息。

由于反斯托克斯拉曼散射光对温度敏感，斯托克斯拉曼散射光对温度不敏感，可以利用斯托克斯路和反斯托克斯路的信号比获得放置在仪器内部的参考光纤的温度测量值，消除温度变化对激光器和雪崩光电探测器阵列带来的不利影响，提高***测量信号质量。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测方法，包括如下步骤：

步骤1：激光器输出频率步进的光强调制信号S_t(t)；

其中，N为步进次数，Δf为步进频率值，T为完整的扫频周期，T_r为单频测量时间，并且T＝N*T_r，f₀为光强调制频率的起始频率，频带宽度为N*Δf。

其中，

A_i和

分别是第i+1个单频测量周期的幅度和初始相位，且i＝0,1,2……,N-1。

步骤2：将光强调制信号分为两路，一路传输到耦合器，另一路传输至光电探测器作为相位参考路；

步骤3：所述光信号经过耦合器进入光纤链路，所述光纤链路包含参考光纤和传感光纤。

步骤4：在完整的测量周期内，针对每一个频点可以获得N组4路回波信号：相位参考路，瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路，对每一路回波信号进行数字正交解调，然后进行反正切运算，获得4路信号的N个相位测量值。

理论上，相位参考路会获得相位均匀变化的测量结果，但是受到***误差以及环境干扰的影响，相位测量值会存在一定偏移。

因此以相位参考路为标准，对瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路的相位测量值进行补偿，消除***误差以及环境干扰造成的相位漂移。

步骤5：对瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路的相位测量值，也就是频域测量结果，进行傅里叶反变换，得到光纤链路沿线质量相关的空间域测量值。

由于反斯托克斯拉曼散射光对温度敏感，斯托克斯拉曼散射光对温度不敏感，可以利用斯托克斯路和反斯托克斯路的信号比获得放置在仪器内部的参考光纤的温度测量值，根据激光器中温度与光输出功率，以及雪崩光电探测阵列中温度与光电转换增益的关系曲线，补偿温度变化导致的光功率以及光电转换增益的漂移，提高***测量信号质量。

步骤6：基于瑞利散射路空间域数据，可以获得传感光纤端接头、连接器、尾纤等反射点的空间位置；基于斯托克斯路的空间域数据，可以获得传感光纤沿线的衰减(损耗)分布信息。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，包括：激光器、隔离器、第一分路器、第二分路器、耦合器、雪崩光电探测器阵列、拉曼散射波分复用器以及处理器；

所述激光器用于输出频率步进光强调制信号，所述激光器通过隔离器连接至第一分路器，所述第一分路器用于接收光强调制信号，第一分路器包括两个分路，一路传输至光电探测器作为相位参考路；

另一路传输到耦合器，所述耦合器用于将光强调制信号传输给光纤链路并用于接收所述光纤链路返回的散射光信号传输至第二分路器，所述第二分路器通过拉曼散射波分复用器和雪崩光电探测器阵列输出多路散射光信号作为多路相位测量值；

所述处理器用于根据依据相位参考路对多路相位测量值分析得到与光纤链路沿线质量相关的空间域测量值。

2.如权利要求1所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，所述第二分路器分别和雪崩光电探测器阵列与拉曼散射波分复用器连接，所述雪崩光电探测器阵列与拉曼散射波分复用器连接；所述第二分路器包括两个分路，第一分路用于将散射光信号直接传输给雪崩光电探测器阵列输出瑞利散射光，第二分路用于将散射光信号经过拉曼散射波分复用器传输给雪崩光电探测器阵列输出斯托克斯光和反斯托克斯光。

3.如权利要求2所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，所述雪崩光电探测器阵列用于将瑞利散射光信号和拉曼散射的斯托克斯光和反斯托克斯光信号转换成电信号输出到模数转换器，分别作为瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路，相位参考路、瑞利散射路、斯托克斯路和反斯托克斯路通过模拟转换器传输至处理器。

4.如权利要求3所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，所述处理器以相位参考路为基准，用于在一个测量周期对瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路相位对齐。

5.如权利要求1所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，所述光纤链路包括参考光纤和传感光纤，所述参考光纤位于耦合器和传感光纤之间，用于延长传感光纤端接头与耦合器的长度。

6.如权利要求5所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，所述参考光纤设置在检测装置内部，所述参考光纤用于通过检测该参考光纤段的拉曼散射获得仪器内部温度实时测量值。

7.如权利要求1所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，该检测装置还包括驱动器，所述驱动器分别和处理器和激光器连接，所述处理器用于控制驱动器的电压驱动信号频率，从而控制激光器输出与驱动器的电压驱动信号频率一致的正弦调制光强。

8.如权利要求1所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，所述处理器用于根据相位对齐后的瑞利散射路，斯托克斯路和反斯托克斯路的频域数据得到光纤链路质量分布相关的空间域数据。

9.如权利要求1所述的一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，所述光纤链路质量分布相关的空间域数据包括基于瑞利散射路空间域数据以及基于斯托克斯路的空间域数据，所述基于瑞利散射路空间域数据，包含光纤链路端多个反射点的空间位置；所述基于斯托克斯路的空间域数据，获得光纤链路沿线的损耗分布信息。

10.一种波分复用非相干光频域反射光纤质量检测装置，其特征在于，包括如下步骤：

输出频率步进光强调制信号；

将光强调制信号分为两路，一路输出作为相位参考路，另一路输出后传输至光纤链路，光纤链路返回散射光信号，从散射光信号分离出拉曼散射光以及对拉曼散射光复用输出多路散射光信号作为多路相位测量值；

依据相位参考路对多路相位测量值分析得到与光纤链路沿线质量相关的空间域测量值。

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